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Die Erfindung bezieht sich auf eine Regenerativpumpe
derjenigen Bauart, die ein Gehäuse mit einem Pumpeneinlaß und
einem Pumpenauslaß, ein Flügelrad, das drehbar innerhalb
des Gehäuses eingebaut ist und eine Vielzahl Flügel hat,
die eine Reihe im Winkelabstand zueinander um die
Rotationsachse des Flügelrads angeordneter Zellen aufweist,
und einen Strömungskanal innerhalb des Gehäuses, der sich
zwischen dem Pumpeneinlaß und dem Pumpenauslaß erstreckt
und einen im Gehäuse entlang dem Flügelrad angeordneten
Führungskanal aufweist, so daß die Zellen sich seitlich
der Rotationsebene des Flügelrads in den Führungskanal
öffnen und mit diesem zusammenwirken, um eine
spiralförmige oder schraubenförmige Fluidströmung durch den
Führungskanal und die Zellen entlang der Abmessung des
Strömungskanals zu erzeugen, wenn das Flügelrad gedreht wird, wobei
jeder Flügel eine Hinterfläche mit einem in Radialrichtung
variierenden Profil aufweist.
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Bei bekannten Regenerativpumpen dieser Bauart können sich
die Flügel des Flügelrads perpendikulär in bezug auf die
Rotationsebene des Flügelrads erstrecken oder sie können
aus dieser perpendikulären Ebene in Rotationsrichtung an
ihren Außenkanten vorwärts geneigt sein, so daß die Zellen
sich effizienter füllen und das Fluid in Richtung auf den
Führungskanal schleudern, wenn sich das Flügelrad dreht
Üblicherweise sind die Flügel in einem Winkel von etwa
45 Grad geneigt und die entgegengesetzten Flächen jedes
Flügels sind eben und parallel zueinander und gehen an
ihren Außenkanten in eine ebene Außenfläche des Flügels
über, die parallel zur Rotationsebene des Flügelrads ist
und die eng mit den Innenflächen des Gehäuses
zusammenwirkt, um den Fluidstrom in Umfangsrichtung zwischen
benachbarten Zellen zu begrenzen, insbesondere in dem
Bereich, der als Abstreifer zwischen dem Pumpenauslaß und
dem Pumpeneinlaß bekannt ist. In allen Fällen sind die
Flügel über ihre Radialabmessung von einem im wesentlichen
gleichförmigen Querschnitt; insbesondere die Bereiche neben
dem Pumpeneinlaß und dem Führungskanal haben denselben
Querschnitt.
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Die japanische Patentanmeldung 55-161 996 zeigt einen
Wirbelströmungsventilator, bei dem die Kanten der
Flügelradflügel an einer Seite des Wirbelzentrums in einer Richtung
und auf der anderen Seite des Wirbelzentrums in die
entgegengesetzte Richtung abgeschrägt sind, ohne daß die
Anordnung des Einlaßkanals des Ventilators beachtet wird.
Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Regenerativpumpe der vorstehend geschilderten Art mit einem
verbesserten Betriebsverhalten zur Verfügung zu stellen.
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Erfindungsgemäß hat jeder Flügel einer Regenerativpumpe der
vorstehend geschilderten Bauart eine Hinterfläche mit einem
in Radialrichtung variierenden Profil und ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Hinterfläche jedes Flügels über einen
ersten Radialabschnitt neben zumindest einem Teil des
Pumpeneinlasses in Rotationsrichtung auf seine Außenkante hin
vorwärts geneigt ist, verglichen mit der Hinterfläche des
Flügels über einen zweiten Radialabschnitt neben zumindest einem
Teil des in Radialrichtung vom Pumpeneinlaß beabstandeten
Führungskanals.
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Die Neigung der Hinterflächen der Flügel des Flügelrads über
diesen ersten Radialabschnitt neben dem Pumpeneinlaß ist so
gewählt, daß instabile Strömungsverhältnisse und
Kavitationsneigungen in diesem Bereich reduziert sind, um dadurch
Sekundärbewegungen in dem radial nach außen gerichteten Strom
innerhalb der Zellen zu reduzieren. Die
Rezirkulationsströmung im Führungskanal wird dadurch vergrößert und der durch
die Pumpe erzeugte Kopfdruck erhöht. Des weiteren werden
Strömungsverluste innerhalb der Pumpe reduziert und die
Pumpeneffizienz wird vergrößert. Diese Verbesserungen sind
besonders unter niedrigen Einlaßdruckbedingungen wichtig
und helfen, den Beginn der Dampfbildung in der Pumpe zu
verzögern, was die Durchströmung blockieren würde.
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Die Neigung der Hinterfläche des Flügels über diesen
zweiten
Radialabschnitt neben dem Führungskanal ist so gewählt,
daß sie der Strömung zwischen den Zellen und dem
Führungskanal entspricht, wenn das Fluid zwischen den beiden
rezirkuliert. Dies schließt einen Unterschied in der Neigung
der Hinterflächen dieser ersten und zweiten Radialabschnitte
ein, wobei die Hinterfläche des ersten Radialabschnitts in
Rotationsrichtung auf seine Außenkante hin relativ vorwärts
geneigt ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die
relative Vorwärtsneigung der Hinterfläche über den ersten
Radialabschnitt des Flügels durch eine Abschrägung erzeugt, die
sich über den hinteren äußeren Bereich des Flügels erstreckt.
Die Vorder- und die Hinterflächen jedes Flügels können im
wesentlichen parallel sein, mit der Ausnahme dieser
Abschrägung der Hinterfläche über diesen ersten Radialabschnitt.
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Vorzugsweise hat die Außenkante jedes Flügels eine ebene,
zur Rotationsebene des Flügelrads parallele Oberfläche,
so daß sie mit benachbarten Abschnitten der Innenwandung
des Gehäuses zusammenwirkt und dazwischen den unerwünschten
Fluidstrom in Umfangsrichtung begrenzt. Beispielsweise ist
es für die Flügel notwendig, mit dem Abstreifer zwischen dem
Pumpenauslaß und dem Pumpeneinlaß zusammenzuwirken, um den
unmittelbaren Fluidstrom dazwischen zu begrenzen. Des
weiteren, daß, falls der Pumpeneinlaß und der Führungskanal in
Radialrichtung zueinander beabstandet sind, der Abschnitt
der Flügel zwischen dem Pumpeneinlaß und dem Führungskanal
vorzugsweise eine ebene äußere Oberfläche hat, die breit
genug ist, um die Rückströmung vom Führungskanal zum
Pumpeneinlaß zu beschränken.
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Bei demjenigen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
die Hinterflächen der Flügel abgeschrägt sind, um diese
relative Vorwärtsneigung zu erzeugen, ist die Abschrägung
vorzugsweise so, daß eine ebene Oberfläche auf der
Außenkante des Flügels verbleibt, obwohl diese schmaler sein
kann als andere Abschnitte der ebenen äußeren Oberfläche
längs der gesamten radialen Kante des Flügels.
Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher
beschrieben.
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Es zeigen:
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Figur 1 einen Schnitt durch eine Regenerativpumpe
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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Figur 2 eine Seitenansicht der Regenerativpumpe
gemäß Figur 1;
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Figur 3 einen Schnitt durch einen Teil des
Flügelrads der Pumpe längs der Linie X - X in
Figur 2;
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Figur 4 einen Schnitt durch einen Teil des
Flügelrads der Pumpe längs der Linie Y - Y in
Figur 2;
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Figur 5 einen Schnitt durch eine der in Figur 1
ähnliche Regenerativpumpe mit einer
unterschiedlichen Anordnung von Pumpeneinlaß und
Pumpenauslaß;
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Figur 6 eine Seitenansicht der Pumpe gemäß Figur 5;
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Figur 7 einen Graphen, der den Hauptkoeffizienten
(HC) gegen den Fließkoeffizienten (QC) der
Pumpe gemäß Figur 1 darstellt; und
Figur 8 einen Graphen, der den positiven
Nettosaugdruck (NPSP) gegen die Druckdifferenz über
die Pumpe (Delta B) für die Pumpe gemäß
Figur 1 darstellt.
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Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Regenerativpumpe
hat ein Gehäusel, das eine Welle 2 in Lagern 3 drehbar
lagert und eine zylindrische Kammer 4 ausbildet, in der
ein Flügelrad 5 aufgenommen ist, das auf der Welle 2
angebracht ist. Das Flügelrad 5 hat eine Nabe 6 und einen
Ringkranz 7, der sich radial auswärts der Nabe 6
erstreckt und auf beiden Seiten einen Satz Flügel 8 trägt,
die sich seitlich und radial in bezug auf den Ringkranz 7
erstrecken. Die Flügel 8 sind einstückig mit der Nabe 6
und dem Ringkranz 7 ausgebildet und an ihrem Außenumfang
einem zylindrischen Profil angepaßt, so daß sie in enger
Passung innerhalb der Kammer 4 aufgenommen werden können.
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Die Flügel 8 auf jeder Seite des Ringkranzes 7 erstrecken
sich mit einem Winkel von etwa 45 Grad zur zentralen
Rotationsebene Z - Z des Ringkranzes, wie in den Figuren 3
und 4 dargestellt, in Rotationsrichtung R des Flügelrads
weg vom Ringkranz. Die Zwischenräume 9 zwischen den
Flügeln 8 bilden einen Ring von Zellen auf jeder Seite des
Flügelrads.
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Das Gehäuse 1 ist in zwei Abschnitten 11, 12 ausgebildet,
die einander in der Zentralebene des Flügelrads 5 treffen.
In der Seitenwandung jedes Abschnitts 11, 12 ist ein
Pumpeneinlaß 13 ausgebildet; die Pumpeneinlässe 13 öffnen sich
einander gegenüberliegend und neben dem mittleren Bereich
der Zellen 9 in die Kammer 4. Ein Pumpenauslaß 14 ist in
der Seitenwandung jedes Abschnitts 11, 12 des Gehäuses
ausgebildet; die Pumpenauslässe 14 öffnen sich einander
gegenüberliegend und neben dem mittleren Bereich der Zellen 9,
jedoch an einer Stelle, die in Richtung des
Rotationswinkels R des Flügelrads um etwa 225 Grad von den
Pumpeneinlässen 13 versetzt ist, wie in Figur 2 gezeigt, in die
Kammer 4.
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Ein Führungskanal 15 ist so in den Seitenwandungen jedes
Abschnitts 11, 12 des Gehäuses ausgebildet, daß er sich in
die Kammer 4 öffnet. Dieser Kanal 15 erstreckt sich längs
dem äußeren Bereich des Flügelrads über einen Winkel von
etwa 315 Grad zwischen dem Pumpeneinlaß 13 und dem
Pumpenauslaß
14 Der ununterbrochene Bereich 16 der Seitenwandung
des Gehäuses zwischen den geschlossenen Bnden des
Führungskanals wirkt als Abstreifer, der den direkten Strom von
Fluid vom Pumpenauslaß 14 zum Pumpenauslaß 13 begrenzt, wie
aus der folgenden Beschreibung der Betriebsweise der Pumpe
deutlich werden wird.
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Im Betrieb dreht sich das Flügelrad 5 in der Richtung R und
dient dazu, mittels Zentrifugalkraft eine radial nach außen
gerichtete Fluidströmung in den Zellen 9 zu erzeugen. Am
äußeren Umfang des Rotors wird das Fluid seitlich nach
außen in die Führungskanäle 15 geleitet, wo es nach innen
zurück in die Zellen 9 rezirkuliert wird. Diese
Rezirkulationswirkung setzt sich über die gesamte Länge jedes
Führungskanals 15 fort, wenn sich das Flügelrad dreht,
wodurch der Fluiddruck erhöht wird, bis das Fluid durch
den Pumpenauslaß 14 ausgelassen wird. Es ist klar, daß
Fluid in den Zellen 9 am Abstreifer 16 zwischen den
geschlossenen Enden des Führungskanals 15 vorbeitransportiert
wird, jedoch begrenzt der kleine Abstand zwischen den
Aussenkanten 17 der Flügel 8 und der Innenfläche des
Abstreifers den Fluidstrom unmittelbar dazwischen vom
Pumpenauslaß 14 zurück zum Pumpeneinlaß 13.
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Für eine vorstehend beschriebene Pumpe ist es bekannt, ein
Flügelrad vorzusehen, bei dem die Flügel 8, wie in Figur 4
dargestellt, über ihre Radialerstreckung einen einheitlichen
Querschnitt aufweisen, wobei die Vorderfläche 18 jedes Flügels
etwa parallel zur Hinterfläche 19 jedes Flügels ist. Dagegen
ist die erfindungsgemäße Pumpe so angepaßt, daß die
Hinterfläche 19 jedes Flügels in dem Bereich, der neben dem
Pumpeneinlaß 13 vorbeiläuft, so angepaßt ist, daß sie in Richtung
auf ihre Außenkante in Drehrichtung vorwärts geneigt ist.
Wie in Figur 2 dargestellt, hat der Bereich jedes Flügels
8 zwischen einem Flügelradradius R1, der der Innenkante des
Pumpeneinlasses 13 entspricht, und einem Flügelradradius
R2, der der Innenkante des Führungskanals 15 entspricht,
seine Hinterfläche 19 in Richtung seiner Außenkante vorwärts
geneigt, wie in Figur 3 dargestellt, im Vergleich zur
Hinterfläche 19 längs dem Rest des Flügels, wie in Figur 4
dargestellt.
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Diese Neigung wird in einfacher Weise durch Ausbildung einer
Abschrägung 20 auf den äußeren Bereich der Hinterfläche
ausgebildet, wobei ein flacher Abschnitt 21 auf der Außenkante
des Flügels vorzugsweise über zumindest 1/3 der gesamten,
nicht abgeschrägten Weite der Außenkante verbleibt, wie in
Figur 4 dargestellt. Üblicherweise wird die Abschrägung mit
einem Winkel von etwa 22,5 Grad in bezug auf die nicht
abgeschrägte Hinterfläche 19 gebildet.
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Die Wirkung dieser Änderung des Profils der Hinterfläche 19
jedes Flügels 8 wird in den Figuren 7 und 8 dargestellt.
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Figur 7 zeigt die Testergebnisse zur Bestimmung des
Hauptdruckkoeffizienten HC und der Pumpeneffizienz E gegen den
Strömungskoeffizienten QC der Pumpe. Die Tests wurden bei
einer Flügelraddrehzahl von 8000 U/min und einem
Pumpeneinlaßdruck von 20 p.s.i. durchgeführt. Die Ergebnisse werden
durch die Kurven A in Figur 7 dargestellt und werden mit
Kurven P verglichen, die auf den Ergebnissen ähnlicher
Tests bei derselben Pumpe basieren, wobei die Pumpe jedoch
ein Flügelrad mit Flügeln eines einheitlichen Querschnittes
(dargestellt in Figur 4) über deren gesamte Abmessung
aufweist. Aus diesen Kurven geht eindeutig hervor, daß die
Wirkung der Abschrägung 20 auf den Hinterflächen der Flügel den
erzeugten Hauptdruck und die Pumpeneffizienz über den
gesamten Betriebsbereich erhöht.
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Figur 8 zeigt die Ergebnisse eines Tests zur Bestimmung der
Druckdifferenz Delta B, die über die Pumpe erzeugt wird, bei
niedrigen Werten des positiven Nettosaugdruckes NPSP. Wiederum
werden die Ergebnisse der Pumpe, die durch die Kurve A
gezeigt werden, mit den Ergebnissen, die durch die Kurve B
gezeigt werden, für dieselbe Pumpe verglichen, wobei letztere
ein Flügelrad mit Flügeln eines einheitlichen Querschnitts
über deren Abmessungen (dargestellt in Figur 4) aufweist.
Aus diesen Kurven geht eindeutig hervor, daß Delta B als
Ergebnis der Abschrägung 20 auf der Hinterfläche der Flügel
weniger schnell absinkt.
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Diese Verbesserungen im Betrieb können des weiteren durch
Vergleiche mit derselben Pumpe dargestellt werden, wobei
letztere jedoch ein Flügelrad hat, bei dem die Abschrägung
radial auswärts über die Innenkante des Führungskanals 15
beim Radius R2 ausgedehnt ist. In einem Fall wurde die
Abschrägung bis zur Außenkante des Pumpeneinlasses 13 beim
Radius R3 ausgedehnt, und die durch die Kurven C in den
Figuren 7 und 8 dargestellten Ergebnisse wurden erreicht;
in einem weiteren Fall wurde die Abschrägung 20 über die
gesamte radiale Abmessung der Flügel ausgedehnt und die
durch die Kurven D in den Figuren 7 und 8 dargestellten
Ergebnisse wurden erreicht. Die Ergebnisse in Figur 7
stellen fest, daß die Abschrägung 20 zu einem verbesserten
Hauptdruck HC und zu einer verbesserten Effizienz E führt,
jedoch zeigt Figur 8, daß die Abschrägung 20 eine
entgegengesetzte Wirkung auf den Pumpenbetrieb bei niedrigen Werten
des positiven Nettosaugdrucks NPSP hat, falls sie sich bis
in den Bereich neben dem Führungskanal 15 erstreckt. In den
beiden mit einer radial ausgedehnten Abschrägung
einhergehenden Fällen nimmt die Abstiegsrate von Delta B auf unter
4 p.s.i. stark zu, was zu einer frühen Dampfblasenbildung
in der Pumpe im Vergleich zu der mit dem dargestellten
teilweise abgeschrägten Flügelrad versehenen Pumpe führt.
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Die Regenerativ- bzw. Seitenkanalpumpe, wie sie in den
Figuren 1 bis 4 dargestellt ist, hat die Pumpeneinlässe 13
und die Pumpenauslässe 14 beide auf einem Radius des
Führungskanals 15. Die beiden Sätze Zellen 9 auf den
entgegengesetzten Seiten des Flügelrads haben jeweils einen separaten
Pumpeneinlaß 13 und Pumpenauslaß 14, die mittels äußerer
Verbindungen parallel miteinander verbunden sind.
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Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in den
Figuren 5 und 6 dargestellt, in denen die beiden Sätze
Zellen 9 auf entgegengesetzten Seiten des Flügelrads durch
den Ringkranz 7 an der Wurzel der Flügel 8 mittels Löchern
10 miteinander verbunden sind. Aufgrund der Verbindung der
Zellen 9 ist nur ein Pumpeneinlaß 13 in der Seitenwandung
eines Gehäuseabschnitts 11 auf einer Seite des Flügelrads
vorhanden, und nur ein Pumpenauslaß 14 in der Seitenwandung
des anderen Gehäuseabschnitts 12 auf der anderen Seite des
Flügelrads. Des weiteren sind der Pumpeneinlaß 13 und der
Pumpenauslaß 14 zu dem Führungskanal 14 beide radial
einwärts versetzt. Aus diesem Grund verbleibt bei der Pumpe
ein Flüssigkeitsring am Außenumfang des Flügelrads, der
dabei hilft, den Pumpenbetrieb aufrecht zu erhalten, wenn
das gepumpte Fluid eine Mischphase aus Gas und Flüssigkeit
ist. Die Pumpe ist daher selbstansaugend.
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Die Hinterfläche 19 jedes Flügels 8 des Flügelrads 5 ist
mit einer Abschrägung 20 des gleichen Querschnitts wie in
Figur 3 gezeigt, ausgebildet, und diese Abschrägung
erstreckt sich in Radialrichtung zum Außenrand des
Pumpeneinlasses 13 beim Radius R3, wie in Figur 6 dargestellt. Die
radiale Trennung des Pumpeneinlasses 13 und des
Führungskanals 15 erlaubt der Abschrägung 20, sich über die gesamte
Abmessung des Pumpeneinlasses 13 ohne Überlappung des
Führungskanals 15 zu erstrecken, wie in der
Ausführungsform gemäß der Figuren 1 und 2.
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In alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die
ebene Abschrägung 20 der Hinterfläche 19 der Flügel 8 durch
eine gekrümmte Oberfläche ersetzt werden, jedoch wird
vorzugsweise der ebene Abschnitt 21 auf der Außenkante des
Flügels beibehalten. In anderen alternativen
Ausführungsformen kann die Vorwärtsneigung der Hinterfläche 19 durch
Vorwärtsbiegung des entsprechenden Bereichs des Flügels in
Richtung auf seine Außenkante erreicht werden.